CN102168222A - 高强硬性合金球铁模具材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

高强硬性合金球铁模具材料，其成分重量百分比为：C 3.4～3.9％，Si 2.0～2.5％，Mn 0.2～0.4％，P＜0.02％，S＜0.02％，Cr 0.4～0.6％，Cu 0.7～1.0％，Mo 0.4～0.6％，Ni 0.6～1.0％，余量为Fe。制备方法包括如下步骤：1)按照上述化学成份配料，并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300℃～1500℃；2)浇注出的合金球铁；3)使用移动式感应加热设备对合金球铁进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28kW，淬火温度控制在850℃～950℃；4)淬火后冷却方式为空冷。本发明通过化学成份的新配比，使合金球铁模具材料适用于制作、应用于大批量生产时的大型汽车覆盖件，具有较高的强度、淬透性及淬硬性。

Description

高强硬性合金球铁模具材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金球铁材料制造工艺领域，尤其是涉及一种汽车大型覆盖件用的高强硬性球铁模具材料及其制备方法。

背景技术

合金铸铁模具材料通常分为合金灰铁模具材料和合金球铁模具材料，制造大型汽车覆盖件模具所使用的模具材料通常是采用合金铸铁模具材料。当中小批量生产汽车覆盖件时，其覆盖件模具材料一般采用合金灰铁模具材料，在大批量生产汽车覆盖件时，多采用合金球墨铸铁模具材料。对于制作应用于大批量生产的汽车车身覆盖件的模具材料，其覆盖件模具最重要的性能指标是强度指标、淬透性及淬硬性指标，因为汽车覆盖件模具在服役的过程中可能发生断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等失效形式，同时大批量生产的特点还决定了模具在使用过程中尽可能少的停产维护，因此模具材料应具备高强度、高淬透性及高淬硬性能指标才能同时满足上述两种要求。

当前，用于制造大型汽车覆盖件模具的合金球铁是GGG70L材料，其化学成分组成(wt％)如下：C 3.5～3.8％，Si 2.1～2.5％，Mn 0.2～0.4％，P＜0.05％，S＜0.01％，Cu 0.8～1.0％，Mo 0.4～0.6％，Ni0.2～0.4％，余量为Fe。

由于GGG70L覆盖件模具材料没有合金元素Cr，并且Ni元素的含量较低，所以材料的强度及淬火后的硬度均不高。这种GGG70L材料通过浇注出的Y形试样并使用移动式感应加热设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28KW，淬火温度控制在850～950℃，淬火方式为空冷。其抗拉强度只有700MPa左右，表面淬硬层只有2.3mm，表面硬度只有57HRC。因此，这种汽车覆盖件模具材料在大批量生产服役的过程中容易产生断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等失效。

因此，多年来，广大冶金材料学科研技术人员在冶金材料领域里，特别是在合金球铁材料领域中一直在寻找一种高强硬性合金球铁材料来替代目前的GGG70L材料，开发高端的大型汽车覆盖件材料来满足日益增长的高质量的汽车覆盖件模具制造需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强硬性合金球铁模具材料及其制备方法，通过新化学成份的配比，发明一种适用于制作应用于大批量生产时的大型汽车覆盖件的高强硬性合金球铁模具材料，具有较高的强度、淬透性及淬硬性，运用于当今汽车模具制造行业，加强企业技术市场的竞争能力。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，

高强硬性合金球铁模具材料，其成分重量百分比为：

C 3.4～3.9％，Si 2.0～2.5％，Mn 0.2～0.4％，P＜0.02％，S＜0.02％，Cr0.4～0.6％，Cu 0.7～1.0％，Mo 0.4～0.6％，Ni 0.6～1.0％，余量为Fe。

在本发明模具材料成分设计中：

C，是石墨相生成的基础，在球墨铸铁中石墨相对金属基体的割裂作用大为减轻。因此，C含量的选择主要是考虑保证材料的铸造性能，故一般选择C的含量为3.4～3.9％。

Si，是促进石墨化元素，可溶于铁素体，提高其抗拉强度和硬度，但含量过高将降低材料的塑性，因此Si的含量不宜过高，可选为2.0～2.5％。

Mn，在球墨铸铁中作用不用于其在灰铸铁中的作用。在灰铸铁中，Mn可以与S结合生成化合物，可作为非自发性晶核。而在球墨铸铁中，由于球化元素具有很强的脱硫能力，因而Mn已不再能起这种有益作用。同时，Mn有严重的正偏析倾向，可富集于共晶团晶界处形成晶间碳化物，能降低材料的韧性。因此可控制Mn的含量在0.2～0.4％。

Cr，通常对于合金钢材料，Cr是强碳化物形成元素，在感应淬火条件下，它能够有效提高材料淬火后的硬度。而在球铁材料中，情况往往不一样，在球铁材料中添加了Cr元素或提高了了Cr元素的含量后，会使材料中的残余奥氏体含量增加而降低材料的淬硬性，从而使得材料淬火后的硬度下降。而本发明专利球铁材料中增加了Cr元素0.4～0.6％可以增加淬硬性是因为在感应淬火条件下形成的奥氏体由于细小、极不均匀而较不稳定，因此残余奥氏体含量极少，因而增加了材料淬火后的硬度。

本发明技术研究表明：在奥氏体的形成过程中，碳化物不易溶解，且在已溶解碳化物的原来位置上，碳浓度在一段时间内仍然很高，奥氏体仍然不均匀。而Cr除了溶入α铁素体中，更多的是进入渗碳体中形成合金渗碳体。Cr与碳原子之间有较大结合力，因此将阻止碳原子的扩散、合金渗碳体的分解；同时原子半径较大以置换原子状态存在的合金元素Cr较难扩散，因此奥氏体更加不均匀，碳的偏聚现象会更加严重。其中不均匀的奥氏体中缺陷更多，奥氏体更硬。马氏体可以继承奥氏体中的缺陷，因此马氏体的硬度会更高。此外，奥氏体晶粒的长大受碳原子扩散的控制，因此其晶粒会更细小，其后马氏体的晶粒也会更细小，硬度更高。综上所述，Cr的含量不应过低，否则提高淬硬的效果不显著。同时Cr也能显著增加珠光体的含量，且是较强的淬透性添加剂，因此可选择Cr＞0.4％。

但是也正因为Cr是强碳化物形成元素，它与C原子之间的结合力较大，因此当其含量较多时铁液凝固时，碳原子倾向于以渗碳体形式析出。同时随着Cr含量的增加，铁液平衡共晶温度下降，亚平衡共晶温度升高，因此铁液在相同结晶条件下的共晶温度更接近亚稳态共晶温度。此外，由于碳化物形成元素Cr在固液相中的分配系数小于1，即Cr较多的偏聚在液相中，因此在铁液的凝固后期，液相中的Cr元素含量增加，这将造成这部分铁液的亚平衡共晶温度进一步上升。综上所述，当Cr含量增加时，共晶转变逐渐倾向于按亚稳定方式进行，且容易在晶界处析出游离渗碳体。因此Cr的含量也不应过高以防止白口化倾向，可选定Cr＜0.6％。

Mo，是一种强淬透性添加剂，能显著提高材料的淬透性，这点对于感应淬火处理十分重要。Mo还能强化珠光体中的铁素体，因而能有效的提高材料的强度和硬度，但其缺点是价格较贵。且Mo在球墨铸铁中有较大的正偏析倾向，含量过高时可在晶界处形成碳化物等脆性相。因此其含量可选为0.4～0.6％。

Cu，能显著增加珠光体的含量，从而增加铸铁的耐磨性，且具有一定的促进石墨化作用。一般含量选择在0.7～1.0％就可以得到全珠光体基体。

Ni，与Cu一样具有一定的石墨化作用，本发明研究表明：在本发明中碳化物形成元素Cr和Mo的含量很高，因此必须同时提高石墨化元素的含量以消除白口化倾向，抑制游离渗碳体的出现。可选定Ni＞06％，确保有效的石墨化作用。同时，Ni在奥氏体中可与Fe形成无限固溶体，在α铁素体中的溶解度也非常大，因此添加的Ni元素均得到了充分了利用以增加材料的淬透性和强化铁素体增加强度。但Ni价格较贵，同时考虑到它并没有促进珠光体形成的能力，其强化能力不高，因此可选定其含量为0.6～1.0％。这既保证了一定的强化和石墨化效果，又有一定的经济性。

P，属于有害元素。P在球墨铸铁中有严重的偏析倾向，容易在晶界处形成磷共晶，使材质变脆。因此应使P＜0.02％。

S，也属于有害元素，它与球化剂的中球化元素有很强的化合能力，生成硫化物或硫氧化物。因此若含量过高则大量消耗球化剂，造成球化不稳定、加快球化衰退并增加夹杂物数量。因此应使S＜0.02％。

本发明还提供了一种高强硬性合金球铁模具材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)按照上述化学成份配料，并置于中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300℃～1500℃，熔炼时间0.5～1小时，使合金成分均匀化；

2)浇注出的合金球铁；

3)使用移动式感应加热设备对合金球铁进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28KW，淬火温度控制在850～950℃，淬火时间控制在2～5min/mm(球铁厚度)；

4)淬火后冷却，冷却方式为空冷。

在本发明的工艺控制中：

按照本发明化学成份配料并置于中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300～1500℃，熔炼温度控制在此范围可以充分使得铁液的流动性最佳，铁液的铸造性能得到保证。

对浇注出的合金球铁使用移动式感应加热设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28KW，控制功率在此范围可以使得模具材料高温加热更加均匀，合金元素充分溶解。

模具材料淬火温度控制在850～950℃，淬火方式为空冷，保证材料的合金元素的均匀性并防止材料的过热而引发材料的发生热处理缺陷，控制冷却方式为空气中的冷却可以防止模具材料由于冷却速度过快而导致应力裂纹缺陷。

本发明与现有的技术相比，具有如下的优点：

1、化学成份的配比更加合理和先进：较低的锰含量避免了锰元素在材料中形成碳化物恶化材料的性能；较高的铬含量及镍含量，增加材料的淬透性并提高强度及淬硬性，提高了合金球铁模具的综合性能；

中国专利申请号200510025856.5公开其化学成份重量百分比含量为：C 3.5～3.8％，Si 2.1～2.5％，Mn 0.5～0.8％，P＜0.02％，S＜0.02％，Cr 0.1～0.3％，Cu 0.8～1.0％，Mo 0.4～0.6％，Ni 0.2～0.4％，其余Fe余量。

从成份的对比可以看出，本发明专利的化学成份的元素含量中的锰含量、铬含量、镍含量等与中国专利申请号200510025856.5存在明显不同，其对材料的性能作用的机理也就不同，材料的性能特点也有所不同。中国专利申请号200510025856.5的化学成份组成和本发明设计的化学成份相比具有的特点是含有较低的铬元素和镍元素，而锰元素含量较高。这种合金球铁的特点是以锰元素作为一个强化元素，锰可以增加并细化珠光体。但同时Mn有严重的正偏析倾向并且是碳化物形成元素，可富集于共晶团晶界处形成晶间碳化物，能降低材料的强度与韧性。因此这种合金球铁材料的强度性能得不到保障，并且存在性能的不均匀性，只能作为一般的汽车覆盖件模具材料使用，其综合性能不如本发明化学成份的合金球铁模具材料。

而本发明的化学成份组成中含有较低的锰含量、较高的铬含量、镍含量。其中增加了Cr元素可以增加材料的淬透性及淬硬性，同时也可促进形成和稳定珠光体增加强度，提高Ni元素含量的作用是提高强度及冲击韧性并增加淬透性和石墨化作用，且没有成分上严重的偏析现象，性能可稳定提高。

2、熔炼温度控制在1300～1500℃，全熔化后保温时间0.5～1小时，并浇注出Y型试块，其抗拉强度可达730MPa以上，提高4％；使用移动式感应加热设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28KW，淬火温度控制在850～950℃，淬火时间控制在2～5min/mm(球铁厚度)，淬火方式为空冷后合金球铁淬硬层可达2.7mm，提高淬硬层深度17％；表面硬度可达洛氏硬度60以上，提高5％。

附图说明

图1为本发明合金球铁模具材料的50倍金相显微组织照片。

图2为本发明合金球铁模具材料的50倍金相显微组织照片。

图3为本发明合金球铁模具材料感应热处理后的500倍金相显微组织照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

化学成分参见表1。按照表1化学组成配料并置于中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1400℃，全熔化后保温0.8小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为24KW，淬火温度控制在880℃，淬火时间控制在2min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为61HRC，淬硬层深度为2.78mm，抗拉强度为740MPa。参见表2。

实施例2

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300℃，全熔化后保温0.5小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20KW，淬火温度控制在850℃，淬火时间控制在2min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为60HRC，淬硬层深度为2.71mm，抗拉强度为733MPa。

实施例3

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1500℃，全熔化后保温0.9小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为28KW，淬火温度控制在950℃，淬火时间控制在4min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为63HRC，淬硬层深度为2.85mm，抗拉强度为752MPa。

实施例4

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1350℃，全熔化后保温1.0小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为22KW，淬火温度控制在900℃，淬火时间控制在3min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为62HRC，淬硬层深度为2.81mm，抗拉强度为749MPa。

实施例5

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1450℃，全熔化后保温0.5小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为26KW，淬火温度控制在940℃，淬火时间控制在5min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：，其表面硬度为60HRC，淬硬层深度为2.74mm，抗拉强度为737MPa。

实施例6

化学成分参见表1。按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1400℃，全熔化后保温1.0小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为24KW，淬火温度控制在900℃，淬火时间控制在5min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为62HRC，淬硬层深度为2.80mm，抗拉强度为744MPa。

实施例7

化学成分参见表1。按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300℃，全熔化后保温0.6小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20KW，淬火温度控制在850℃，淬火时间控制在4min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为60HRC，淬硬层深度为2.74mm，抗拉强度为738MPa。

实施例8

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1500℃，全熔化后保温0.8小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为28KW，淬火温度控制在920℃，淬火时间控制在3min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为61HRC，淬硬层深度为2.76mm，抗拉强度为740MPa。

实施例9

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度1350℃，全熔化后保温0.6小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率22KW，淬火温度控制在870℃，淬火时间3min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为63HRC，淬硬层深度为2.84mm，抗拉强度为752MPa。

实施例10

化学成分参见表1。按照化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1450℃，全熔化后保温0.5小时。对浇注出的Y形试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为26KW，淬火温度控制在940℃，淬火时间控制在2min/mm(球铁厚度)，淬火冷却方式为空冷。

性能测试：其表面硬度为60HRC，淬硬层深度为2.79mm，抗拉强度为743MPa。

表1

化学成分单位：wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Mo	Ni
										1	3.60	2.20	0.20	0.010	0.020	0.50	0.90	0.50	0.80
2	3.40	2.00	0.20	0.010	0.010	0.40	0.70	0.40	0.60
										3	3.90	2.50	0.40	0.010	0.020	0.60	1.00	0.60	1.00
4	3.50	2.30	0.31	0.020	0.010	0.50	0.90	0.50	0.90
										5	3.70	2.10	0.36	0.015	0.015	0.45	0.80	0.40	0.70
6	3.65	2.25	0.23	0.020	0.020	0.55	0.95	0.55	0.85
										7	3.42	2.00	0.25	0.010	0.010	0.45	0.75	0.45	0.65
8	3.85	2.45	0.40	0.013	0.019	0.55	0.85	0.45	0.75
										9	3.45	2.35	0.30	0.020	0.010	0.55	0.95	0.55	0.95
10	3.75	2.00	0.38	0.020	0.010	0.45	0.85	0.45	0.75

表2

实施例	硬度(HRC)	淬硬层深度(mm)	抗拉强度(Mpa)
				1	61	2.78	740
2	60	2.71	733
				3	63	2.85	752
4	62	2.81	749

5	60	2.74	737
				6	62	2.80	744
7	60	2.74	738
				8	61	2.76	740
9	63	2.84	752
				10	60	2.75	743

图1合金球铁模具材料的50倍金相显微组织中，石墨相多为团球状。满足了基体的高强度、高硬度和高淬透性的金相显微组织条件。

图2合金球铁模具材料的50倍金相显微组织中，片状珠光体中基体中没有出现大块的游离碳化物，从而大大提升了合金球铁材料的综合性能。

图3合金球铁模具材料感应热处理后的500倍金相显微组织显示出，基体为针状马氏体，这种基体组织可以提供合金球铁材料高的强度和高的硬度。

Claims (2)

1.高强硬性合金球铁模具材料，其成分重量百分比为：C 3.4～3.9％，Si2.0～2.5％，Mn 0.2～0.4％，P＜0.02％，S＜0.02％，Cr 0.4～0.6％，Cu 0.7～1.0％，Mo 0.4～0.6％，Ni 0.6～1.0％，余量为Fe。

2.如权利要求1所述的高强硬性合金球铁模具材料的制备方法，其包括如下步骤：

1)按照上述化学成份配料，并置于中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300℃～1500℃，全熔化后保温时间0.5～1小时，使合金成分均匀化；

2)浇注出的合金球铁；

3)使用移动式感应加热设备对合金球铁进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28KW，淬火温度控制在850～950℃，淬火时间控制在2～5min/mm(球铁厚度)；

4)淬火后冷却，冷却方式为空冷。

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